Die besten Praktiken zur USB-Integration

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Heitec AG

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

FTDI Ltd.

Die USB-Busversorgung wird häufig zum Laden von Batterien oder zur Versorgung von Geräten mit geringer Leistungsaufnahme verwendet. Bei der USB-Versorgung muss sichergestellt sein, dass eine Einrichtung vor der USB-Enumeration nicht mehr als 100 mA Strom zieht. Die 5V-VBUS-Versorgung erweist sich zur direkten Versorgung von ICs und anderen Einrichtungen nicht immer praktisch, da nicht alle Bausteine 5V-tolerante Eingänge aufweisen. Ein Spannungsregler kann dann die erforderlichen Spannungspegel bereitstellen. Darum bietet der USB-UART-Schnittstellen-IC FT232R von FTDI einen integrierten 3,3-V-Regler.

Der Baustein entnimmt den Strom direkt von der VBUS-Versorgung, womit sich die Bauteilkosten verringern und das Systemdesign vereinfacht. Der FT232R bietet eine UART-Schnittstelle, die eine USB-Verbindung an einen UART-Port eines Mikrocontrollers oder eines anderen datenverarbeitenden Bausteins bereitstellt (Bild 1). Das hier aufgeführte Schaltkreisdesign empfiehlt, einen Kondensator oder Widerstand vorzusehen, um Störungen seitens der Abschirmung zu beseitigen. Diese Tatsache beruht auf der Erfahrung wenn Produkte EMV-/RFI-Tests unterzogen werden – obwohl dies im Gegensatz zur Schaltkreistheorie steht.

Power-Management-Funktionen gefordert

Vom USB-Bus versorgte Peripherie muss auch Power-Management-Funktionen unterstützen, z.B. den USB-Haltezustand, um Strom beim USB-Host zu sparen. Für ein schnelles Wiederhochfahren aus dem Haltezustand bieten viele Slaves einer Fern-Wakeup-Funktion, die einen Weiterbetrieb ermöglicht, sobald eine Aktivität erkannt wird. Bei Anwendungen mit höherer Leistungsaufnahme kann eine externe oder eigene Versorgung zum Einsatz kommen.

Eigenversorgte Einrichtungen bieten weniger Einschränkungen, müssen aber einen Schutz gegen Stromaufnahme bis hinab vom USB-Bus zum Host bieten, sobald der Host oder Hub stromlos sind, da vorgelagerte Schaltkreise sonst beschädigt werden. Mit dem Anschluss des VBUS-Signals an einen Reset-Pin lässt sich dieser Zustand vermeiden. Der Baustein wird dann gezwungen, im Rücksetz-Zustand zu verharren, bis der USB Host bereitsteht. Bild 2 zeigt einen USB-Selbstversorgungsschaltkreis.

Besondere Aufmerksamkeit sollte den Aspekten elektromagnetische Interferenz (EMI) und elektrostatische Entladung (ESD) zum Zweck der Rauschunterdrückung gewidmet werden. Entwickler einer USB-Schnittstelle müssen dabei den Einsatz von Netzfiltern und Schutzschaltkreisen mit berücksichtigen.

EMI- und ESD-Schutz mit berücksichtigen

Bei USB-versorgten Konfigurationen sollte eine Ferritperle an der VBUS-Versorgung angebracht werden, damit EMI-Störeinflüsse nicht über das USB-Kabel bis zum Host weitergeleitet werden. Gängige Maßnahmen hier bestehen aus einem Kondensator und einer Ferritperle, die so nah wie möglich am USB-Stecker angebracht sind. Ferritperlen sollten nicht für die USB-Datensignale oder das Massesignal verwendet werden. Zu den weiteren Stromschutz-techniken zählen Schaltkreise gegen überhöhte Einschaltströme und Überströme.

Einschaltströme bei USB-versorgten Anwendungen bedeuten, dass beim Anschließen, bei der Enumeration oder beim Wiederhochfahren aus einem Wartezustand ein hoher Strom vom Host entnommen wird. Die USB-2.0-Spezifikation empfiehlt eine maximale Kapazität von 10 μF, die parallel zu einer 44-Ω-Last geschaltet ist, um somit hohe Einschaltströme zu mindern.

Alternativ kann ein Großkondensator zum Einsatz kommen, vorausgesetzt die Versorgung erfolgt über eine Softstart-Methode. Anwendungen, die eine hohe EMI-Empfindlichkeit aufweisen, können auch mit Gleichtaktdrosseln ausgestattet werden, obwohl deren Einsatz auf ein Minimum beschränkt bleiben sollte, da sie die Übertragungsqualität der USB-Signalleitungen beeinträchtigen. Auch Optokoppler dienen zur Isolation der USB-Peripherieschaltkreise von der USB-Schnittstelle.

Schutzdioden direkt neben externen Verbindungen anbringen

ESD-Schutzmaßnahmen in USB-Designs umfassen Dioden zur Unterdrückung von Spannungsspitzen auf den Datenleitungen, am VBUS-Versorgungsanschluss und auf allen anderen externen Schnittstellenbauteilen. Diese Dioden sollten als erster Baustein auf Leiterplattenebene direkt neben jeder externen Verbindung platziert werden. Dies garantiert den kürzesten Strompfad zur Masse und minimiert die Gefahr von Beschädigungen auf der restlichen Leiterplatte.

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